【正文】 常規(guī)設(shè)計(jì) 68 69 壓力容器設(shè)計(jì)基本內(nèi)容 69 ???????????適的密封材料。 ? 對設(shè)計(jì)單位和設(shè)計(jì)人員一般不要求具備分析設(shè)計(jì)資格，但是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該具備這種應(yīng)力分析、分類及結(jié)果評定的能力。 61 62 疲勞設(shè)計(jì) ? 對于有成功使用經(jīng)驗(yàn)的承受循環(huán)載荷的容器，應(yīng)經(jīng)設(shè)計(jì)單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，可按 GB 150進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按JB 4732附錄 C補(bǔ)充疲勞分析和評定，同時(shí)滿足其相關(guān)制造要求（如材料的質(zhì)量要求，無損檢驗(yàn)等）。 ? 壓力容器的局部峰值應(yīng)力區(qū)在交變應(yīng)力作用下，由于晶間滑移和位錯運(yùn)動而萌生微裂紋，微裂紋在載荷循環(huán)下不斷擴(kuò)展，至整個截面喪失承載能力而致脆斷。 60 61 疲勞設(shè)計(jì) ? 頻繁開停車或在運(yùn)行中要經(jīng)受較大溫度、壓力波動的壓力容器，常因疲勞裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致破壞。 ? 這些應(yīng)力，有的數(shù)值較大，有的較小；有的沿元件壁厚均勻分布（薄膜應(yīng)力），有的沿壁厚不均勻分布（彎曲應(yīng)力）；有的發(fā)生在大面積范圍內(nèi)，有的僅出現(xiàn)于元件的局部區(qū)域。 ? 要注意的是表中 pm， pb， Q和 F都是指容器特定部位的第三強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力 。 一次應(yīng)力加上二次應(yīng)力小于或等于 ， 源于安定性的考慮， 安定性要求 σ≤ 2ReL ? 而 Sm=2ReL/3。 彎曲應(yīng)力許用值為拉 、 壓應(yīng)力之 。 ? 例如于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)所引起的超過一次和二次應(yīng)力的應(yīng)力增量 。 ? 在結(jié)構(gòu)內(nèi)的一次應(yīng)力能確保安全承受外載以及材料有足夠的延性的前提下 ， 二次應(yīng)力水平的高低對結(jié)構(gòu)承受靜載能力并無影響 。 55 56 應(yīng)力分類 — 二次應(yīng)力 Q ? 在外部載荷下 ， 由于相鄰構(gòu)件間的約束或構(gòu)件自身的約束引起 ， 需要滿足變形連續(xù)條件 ， 包括法向應(yīng)力和切向應(yīng)力都稱為二次應(yīng)力 ， 具有自限性 。 ? 由結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的一次局部薄膜應(yīng)力，具有一定的自限性，表現(xiàn)出二次應(yīng)力的特征，不過從保守和方便的角度考慮仍劃為一次應(yīng)力。 ? 當(dāng)結(jié)構(gòu)局部發(fā)生塑性流動時(shí)，這類應(yīng)力將重新分布，但若不加限制，當(dāng)載荷從結(jié)構(gòu)的某一部分傳遞到周邊地區(qū)的結(jié)構(gòu)，有可能產(chǎn)生過度塑性變形而致破壞。 ? 局部應(yīng)力區(qū)指沿經(jīng)線方向延伸距離不大于 ，應(yīng)力強(qiáng)度超過 ， R為第二曲率半徑， Sm為材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值。 53 54 應(yīng)力分類 （ 2）一次局部薄膜應(yīng)力 pL：應(yīng)力水平超過一次總體薄膜應(yīng)力。 分以下三類： (1)一次總體薄膜應(yīng)力 pm 沿厚度方向均勻分布 ， 影響范圍遍及整個受壓元件 ，一旦達(dá)到屈服點(diǎn) ， 受壓元件整體發(fā)生屈服 ， 應(yīng)力不重新分布 ， 一直到整體破壞 。 52 53 應(yīng)力分類 由平衡壓力與其他機(jī)械載荷所必須的內(nèi)力或內(nèi)力矩產(chǎn)生的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力 。 (3)應(yīng)力沿截面的分布。 (2)應(yīng)力范圍。 由機(jī)械載荷引起，滿足外載荷平衡條件或由于相互約束引起 (包括熱應(yīng)力 )需滿足變形協(xié)調(diào)條件。 例如殼體與小附體連接處等。 如不同殼體連接、封頭和筒體連接處等。 49 50 分析設(shè)計(jì)法 4． 1 分析設(shè)計(jì)基本概念和應(yīng)力分類根據(jù) (1)應(yīng)力強(qiáng)度：系組合應(yīng)力基于第三強(qiáng)度理論的當(dāng)量強(qiáng)度，即給定點(diǎn)最大主應(yīng)力代數(shù)值 σ 1與最小主應(yīng)力代數(shù)值 σ 3之差值的絕對值。 在分析設(shè)計(jì)規(guī)范 JB 4732中 ， 對材料 、 制造 、 檢驗(yàn) 、 制造廠的資格審查等都提出更加嚴(yán)格的要求 。 ? 如果在計(jì)算后發(fā)現(xiàn)不滿足強(qiáng)度條件要求 ， 則需調(diào)整尺寸重新計(jì)算 。 各種應(yīng)力均需全面計(jì)算 。 ? 在分析設(shè)計(jì)中考慮各種載荷條件可能的組合 ， 以彈性力學(xué)薄殼理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析計(jì)算 ， 將應(yīng)力根據(jù)其起因 、 來源 、 作用的范圍 、 性質(zhì)和危害程度不同進(jìn)行分類 ， 根據(jù)塑性失效準(zhǔn)則 、 彈塑性失效準(zhǔn)則和疲勞失效準(zhǔn)則 ， 采用最大剪應(yīng)力理論來確定受壓元件的尺寸 。 45 46 常規(guī)設(shè)計(jì)法 —特點(diǎn) ? 常規(guī)設(shè)計(jì)法主要適合于設(shè)計(jì)壓力不大于 35MPa 的一般壓力容器，且對其結(jié)構(gòu)型式及尺寸有一定的限制，對于超出了規(guī)范設(shè)計(jì)法標(biāo)準(zhǔn)（ GB150）的適用范圍時(shí)，允許采用下列方法： ①應(yīng)力分析設(shè)計(jì)法（包括有限元計(jì)算）； ②驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)分析（應(yīng)力測試，水壓試驗(yàn)等）； ③利用可比的已投入使用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 彈性失效并不意味著承載潛力的耗盡，不同性質(zhì)的應(yīng)力取統(tǒng)一的判據(jù)也是不合理的，實(shí)踐證明，材料的塑性承載能力是可以利用的； ⑤較高的安全系數(shù)不僅掩蓋了失效實(shí)質(zhì)，也增加了材料消耗和成本。因規(guī)范設(shè)計(jì)只計(jì)算主體應(yīng)力，并以此為依據(jù)，其它局部結(jié)構(gòu)均取標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中的推薦結(jié)構(gòu)，對容器各部位的受載條件及其產(chǎn)生的應(yīng)力和變形不詳細(xì)計(jì)算，不分析對破壞的影響。 ? 這些系數(shù)的選擇或確定主要是參考了 ASME第 Ⅷ 卷第 2分篇（壓力容器另一規(guī)程）的方法或經(jīng)過大量的試驗(yàn)及有限元計(jì)算而進(jìn)行的。 ? 局部結(jié)構(gòu)（如封頭、接管及補(bǔ)強(qiáng)圈、支座、管板等），由于技術(shù)及理論的發(fā)展，雖仍不強(qiáng)調(diào)采用應(yīng)力分析設(shè)計(jì)，沒有規(guī)定應(yīng)力分類及不同的應(yīng)力限制條件 ? 但對其存在的局部薄膜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力及二次應(yīng)力以及它們的組合則采用極限分析和安定性分析原則，控制在與使用經(jīng)驗(yàn)相吻合的安全程度上。 41 42 常規(guī)設(shè)計(jì)法 ? 常規(guī)設(shè)計(jì)法采用的是彈性失效準(zhǔn)則，并按第一強(qiáng)度理論計(jì)算器壁的最大當(dāng)量應(yīng)力。 39 40 常規(guī)設(shè)計(jì)法 ? GB150是由全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員組織編寫的 ? 是在原 “ 設(shè)計(jì)規(guī)定 ” 和 《 鋼制焊接壓力容器技術(shù)條件 》 JB74180等的基礎(chǔ)上 ， 以理論為指導(dǎo) ，結(jié)合成功的使用經(jīng)驗(yàn) ， 吸收國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容 ， 應(yīng)用近代分析技術(shù) （ 如極限分析 、 安定性分析 、 有限元計(jì)算 ） 以充實(shí) 、 完善和提高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平和確保容器安全使用的原則判定的 。 ? 美國鍋爐壓力容器規(guī)范 ASME是世界上最早出現(xiàn)的規(guī)范 。 37 38 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 —— 許用應(yīng)力 ? 確定材料基本許用應(yīng)力的系數(shù)一般主要針對材料的抗拉強(qiáng)度 、 屈服強(qiáng)度 、 高溫持久斷裂強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度設(shè)定相應(yīng)的設(shè)計(jì)裕度 ， ? 以防止由于材料性能不穩(wěn)定 、 設(shè)計(jì)計(jì)算方法的偏差 、 制造的偏差以及在使用過程中的不當(dāng)操作所引起的失效 。 36 37 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ? 應(yīng)該說單純強(qiáng)調(diào)安全系數(shù)是不能保證壓力容器的安全的，近年來的事故統(tǒng)計(jì)表明，由于設(shè)計(jì)采取的安全系數(shù)所造成的事故是不存在的，事故的原因主要在于設(shè)計(jì)者對失效模式的認(rèn)知和采取的相應(yīng)措施。 35 36 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ? 安全系數(shù)的選取，要綜合考慮上述各影響因素，并要考慮材料在不同強(qiáng)度下的性能差別，溫度不同，安全系數(shù)也不一樣。 33 34 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 事實(shí)上 ， 在標(biāo)準(zhǔn)的制定中對于所涉及到的下列失效模式 ， 標(biāo)準(zhǔn)均要考慮相應(yīng)的安全系數(shù)： 1) 以韌性斷裂的強(qiáng)度失效： 2) 以低溫脆斷為代表的脆性斷裂失效； 3) 以法蘭接頭泄漏為代表的接頭泄漏失效； 4) 以高溫材料性能退化為代表的高溫蠕變失效； 5) 以結(jié)構(gòu)失穩(wěn)為代表的彈性和塑性失穩(wěn)失效； 6) 疲勞失效等 。 32 33 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ? 安全系數(shù)是機(jī)械工程中有關(guān)材料安全裕度的一種傳統(tǒng)、經(jīng)典的表示方法，其定義為極限應(yīng)力 (抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等 )與設(shè)計(jì)應(yīng)力之比。 如我國的 《 超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 》 即采用爆破失效準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)超高壓容器的設(shè)計(jì) 。 30 31 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ? 爆破失效準(zhǔn)則：該失效準(zhǔn)則認(rèn)為 ， 盡管按塑性失效準(zhǔn)則當(dāng)結(jié)構(gòu)某個截面整體進(jìn)入屈服狀態(tài) (極限狀態(tài) )而失去承載能力 ， 但考慮到材料屈服后的應(yīng)變強(qiáng)化特性 ， 結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)承載 ， 直至結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂破壞才失去承載能力 。 29 30 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ? 而塑性失效準(zhǔn)則認(rèn)為 :承受外載荷作用的構(gòu)件整個截面進(jìn)入塑性狀態(tài) ， 產(chǎn)生了使整體結(jié)構(gòu)發(fā)生不可控變形的塑性鉸結(jié)構(gòu) ， 達(dá)到了結(jié)構(gòu)的極限承載狀態(tài) 。 29 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 彈性失效準(zhǔn)則的內(nèi)容是： ? 該失效準(zhǔn)則認(rèn)為：承受外載荷作用的構(gòu)件 ， 只要有一點(diǎn)進(jìn)入屈服狀態(tài) ， 或稱該點(diǎn)受應(yīng)力作用而使材料產(chǎn)生塑性流動 ， 即認(rèn)為該結(jié)構(gòu)失去繼續(xù)承載的能力而失效 。 ? 目前，已提出的失效準(zhǔn)則主要有三個： ? 彈性失效準(zhǔn)則 ?